CN1174600A - 轴密封 - Google Patents

Abstract

该发明是关于在旋转的密封环(3)和非旋转的环形密封元件(1)之间形成的非接触的轴密封。密封元件(1)是由对着密封环(3)作用的弹簧所加载的。气体被泵进在密封环(3)或密封元件(1)的密封面(5)上形成的螺旋槽(6)中,螺旋槽从密封面的边缘延伸,在密封环(3)的旋转过程中,在密封元件(1)和密封环(3)之间形成空隙(S)以抵抗弹簧力作用。每个槽被从槽的端壁上伸出的楔形隔开物(7)分成两个狭槽。在旋转密封环(3)速度变化期间,空隙(S)被狭长槽封闭端的高压力维持。隔开物(7)被设计成使气体在狭槽中流动几乎没有阻力。

Description

轴密封

该发明是关于旋转轴的非接触轴密封，它可以用于涡轮机。

非接触轴密封由于减小磨损以及产生更少的热量，所以它比密封表面彼此接触的密封具有优点。Gabriel，Ralph P.的文章“螺旋槽非接触面密封的原理”(美国润滑工程师学会学报“通过提高流体动力学效应改进安放薄膜的气体密封的性能”(美国润滑工程师学会会刊，23卷第1期，35-44页)描述了非接触密封技术和设计原则，在此提及并结合在本发明中。

美国专利4,212,475描述一种涡轮机的轴密封，它包括弹簧加载的密封元件和旋转密封环，密封环的一个端面装有密封面和大量螺旋槽。这些槽是由被圆的第三个弧所连接的两个侧边弧形成，这个圆是槽与密封面之间的边界，这样形成4个顶点：两个顶点在密封面的边界上，两个顶点在旋转环或环形元件的入口端面上，此环形元件可以处在一个上面提到的环的外边或内边上。在这种情况下，密封带(坝)的宽度和环的整个端面的宽度由下列公式确定：

如果槽在旋转环或环形元件的外边上形成，那么 $\frac{\mathrm{GD}-\mathrm{ID}}{\mathrm{OD}-\mathrm{ID}}=0.5-0.8$ 如果槽在一个环的内边上形成，那么 $\frac{\mathrm{OD}-\mathrm{GD}}{\mathrm{OD}-\mathrm{ID}}=0.5-0.8$

其中：

OD是外径；

ID是内径；

GD是被槽和密封面的边界定义的圆的直径。

槽的形成是由于必须防止元件和环由于彼此的摩擦而引起的端面的磨损。一旦环旋转，由腔室运进的气体进入槽中，并且被迫向中心运动。在旋转过程中，槽中的气体被压缩，它的压力提高，产生了影响元件以及促进在环形元件和环的端面之间出现空隙的力。当压缩机操作模式恒定，而且在保证轴旋转的指定速度和腔室中气压的情况下，这个力和空隙是大约恒定的。在瞬态，比如当旋转速度减小，而腔室中的气压保持很高时，影响空隙外侧和内侧的环和元件的力的平衡被破坏。在这个时候，我们能够观察到环和元件的端面彼此的摩擦、磨损和破坏。操作模式的变化导致旋转部分的振动，以及旋转密封环成某个角度的摆动的增加，这又导致密封端面的磨损和密封的破坏。因此，轴的上述密封的缺点在于：当在瞬态运动时由于环和元件的密封端面之间的空隙的不稳定(空隙工作介质的不稳定)而造成它低的可靠性。

苏联发明者证书1,535,122描述一种弹簧加载的环形密封元件和旋转密封环的轴密封，密封环的一个端面有一个有大量螺旋槽的密封面，每个槽有一个分离隔开物。因此，每个螺旋槽中的隔开物做成基本上是矩形凸出部分的形状。凸出部分把每个槽分成两个终止在钝角顶点上的腔洞。隔开物和密封面做成一个整体，并且和环的端面平齐。和带有同形顶点的槽相比，上述隔开物是用来改善槽中的气流，从而用来稳定端部空隙内侧的工作介质层。然而，带有这种性质的隔开物的轴元件，在瞬态比如电机起动、关闭或速度变化时，提供不稳定的气层。这导致在瞬态期间(比如起动和关闭)端部空隙工作介质径向层的稳定的破坏，而且这导致引起环和元件的扭曲和振动，从而导致元件端面的局部磨损和密封的破坏。

该发明寻求通过改进槽的形状，提供一种在不同的操作模式包括瞬态下，端部空隙的稳定的工作介质径向层，以便用于涡轮机的工作。工作介质通常是气体。

按照该发明，提供一种带有朝着旋转密封环的端面加偏压的环形密封元件的轴密封，密封环的端面有一个带有大量从端面边部延伸的螺旋槽的密封面，每个槽包括一个分离隔开物，把槽分成两个狭槽，其特征在于隔开物和/或导槽的形状是这样的，即使得大大减小对槽中流体流动的干扰。隔开物的形状最好是这样的，使得相对于气流只形成锐角的面，从而对气流只引起很小的干扰。

该发明提供一种允许隔开物周围和/或导槽内部平滑的气流的隔开物。与先有技术的矩形状的隔开物相比，这明显地提高了气流层的稳定性，尤其是在瞬态期间。该发明者推测认为，先有技术的隔开物由于隔开物产生的钝面，实际上作为槽中气流的障碍。因此，隔开物引起气流的湍流，阻止气流，从而减小气层的稳定性，尤其在瞬态期间。

隔开物可以采取任何合适的形式，但最好分离隔开物做成比如通过连接相对顶点的弧相交而成的楔形。

按照该发明的优先实施例，密封有如下特征。密封环有一个外径(DH)和一个内径(DO)。在螺旋槽从密封环的外侧边延伸的情况下，楔形隔开物的顶点位于其上的圆周的直径(DK)和作为槽与密封面之间边界的圆周的直径(DB)是根据下面公式确定的：当槽从密封环的外侧延伸时， $\frac{\mathrm{DK}-\mathrm{DB}}{\mathrm{DH}-\mathrm{DB}}=0.2-0.8$ 密封环的密封面和总的端面表面的宽度是根据下面公式确定的： $\frac{\mathrm{DB}-\mathrm{DO}}{\mathrm{DH}-\mathrm{DO}}=0.3-0.5$ 当槽从密封元件的内侧边生成时， $\frac{\mathrm{DB}-\mathrm{DK}}{\mathrm{DB}-\mathrm{DO}}=0.2-0.8$ 密封环的密封面和总的端面的宽度为： $\frac{\mathrm{DH}-\mathrm{DB}}{\mathrm{DH}-\mathrm{DO}}=0.3-0.5$

其中：

DH是密封环外侧边直径；

DK是槽的楔形隔开物的顶点位于其上的圆的直径；

DB是作为槽和密封面的边界的圆周的直径；

DO是密封环内侧直径。

而且，形成槽的侧边的弧能由半径R形成。当槽由外径生成时，R等于密封环外径(DH)的一半。当槽由环的内侧边生成时，R等于内径(DO)的一半。R从圆周上的一点测量，圆周的直径通过下面的关系与外径(DH)相关： $\frac{D}{\mathrm{DH}}=0.25-0.4$ 其中D是槽侧边弧的半径中心位于其上的圆周的直径。而且，或者可选地，对着密封环中螺旋槽的密封元件的表面的外径可以有径向的导槽。导槽与相对的端面形成锐角，为的是减小进入螺旋槽的气体的入口压力损失。

元件或密封环的外侧没有螺旋槽的端面上的径向导槽，与端面所在平面成一锐角，以减小入口压力损失，降低温度，减小动力损失。这些导槽有利于消除端部空隙入口处的旋流，而且有利于提高密封空隙S中的气流的稳定性，因此有利于维持恒定的密封空隙S。

由于螺旋槽对工作介质的影响，环形元件和旋转环之间的密封空隙S的范围是通过气体力和稳定的影响空隙S的密封端的力的均衡，以及影响环形密封元件和旋转密封环的外侧面的力、弹簧力(或其他加偏压装置)、气体力和动态平衡力的均衡而维持的。当然空隙S能够根据特定的装置而变化，随之产生密封面的宽度和/或槽的长度的变化。

在改变压缩机的工作模式所产生的瞬态期间，比如在起动或关闭期间，槽的内径上的隔开物形成的锐角提供维持工作空隙S的高压力区。也就是说，能够通过改变槽中隔开物的角度来根据操作模式对气膜浓度的调整进行控制。因此，能够产生一个预定的基压力，它提供抵抗元件的加偏压作用以保持密封空隙S尺寸恒定的力。在改变操作模式期间，通过保持力的平衡，控制振动和扭曲的减小。这导致端面基本上保持平行，因此减小了它们的磨损。

楔形分离隔开物形成锐角指向槽的内侧以与进来的气体相遇，这改善了工作介质流动到一个或另一个角度的槽中的气体动力学。

在上述的装置中，直径间的关系 $\frac{\mathrm{DK}-\mathrm{DB}}{\mathrm{DH}-\mathrm{DB}}=0.2-0.8$ 和 $\frac{\mathrm{DB}-\mathrm{DK}}{\mathrm{DB}-\mathrm{DO}}=0.2-0.8$ 提供了槽中最佳的气流。关系 $\frac{\mathrm{DB}-\mathrm{DO}}{\mathrm{DH}-\mathrm{DO}}=0.3-0.5$ 和 $\frac{\mathrm{DH}-\mathrm{DB}}{\mathrm{DH}-\mathrm{DO}}=0.3-0.5$ 提供了合适的螺旋槽的尺寸，使得在旋转环和密封元件的端面密封表面之间产生最佳的空隙S所需的力，

此时：DH是密封环的外径；

DK是槽的(隔开物)楔形顶点位于其上的圆周的直径；

DB是作为槽和密封面之间的边界的圆周的直径；

DO是环的内径。

为了进一步改善槽中的气体动力学，形成槽的侧边的弧有一个半径R。当槽由环的外侧边生成时，R等于环外径(DH)的一半，当槽由环的内侧边生成时，R等于环内径(DO)的一半。下面的关系表明弧的中心位于其上的圆周的直径与环的外径的关系： $\frac{D}{\mathrm{DH}}=0.25-0.4$

其中：D是槽的侧边弧的半径R的中心位于其上的直径。

在上述实施例中，上述关系能由实验方法确定。在上述实施例中，所定义的范围最大地提高了密封的稳定性。

因此，通过上面所描述的方法，提供了一种在涡轮机不同的操作模式包括瞬态的情况下，在端部内有稳定的工作介质层的轴密封。

除了在旋转的密封环中形成的螺旋槽外，可以在非旋转的密封元件中形成槽。由于流进槽中的流体减小，这要求改变槽的尺寸以提供空隙S。

在瞬态期间流体泵入其中的与每个狭槽的终端相连的小的容积提供高的压力区，在旋转密封环和非旋转密封元件之间保持距离(S)。

槽和隔开壁的形状被设计得使流体流动产生必要的压力维持。

现在参考下面的附图来描述该发明的优先实施例，在附图中：

图1是密封的纵向截面视图；

图2是图1中A-A的横截面视图，槽在环的外径上生成；

图3是图1中A-A的横截面视图，槽在环的内径上生成；

图4是图1中B-B的横截面视图；

图5是图4中C-C的横截面视图；

图6是作用在密封上的力的图解压力分布图；

图7是图2中密封环的一部分的放大的视图；

图8是沿图7中直线A-A的视图(没有按比例绘制)；

图9是沿图7中直线B-B的视图(没有按比例绘制)。

该发明提供的轴密封是由带有压缩弹簧2的环形密封元件1和旋转环3组成的。环3的端面4带有密封面5以及从它的内侧或外侧边缘沿一螺旋线角延伸的大量螺旋槽6。其中，槽6有分离隔开物，分离隔开物和密封面5制成一个整体，而且它与端面4平齐。隔开物7被制成楔形，通过成对连接位于槽的入口端S上以及作为槽6与密封面5之间的边界的圆的直径上相对的顶点10，11，12和13的附加的弧8和9相交，在槽6和密封面5之间的边界上的顶点10和13上形成两个锐角，而且还形成向内朝着槽6的锐角14。

槽可以从环3的外径DH的侧边生成，也可以从它的内径DO的侧边形成。浅槽6(参看图2)在密封环3的朝着环形元件1的表面上形成。槽的底部在横截面宽度上是平的(参看图7，8和9，它们表示A-A和B-B的横截面图)，而且沿一螺旋线角沿径向向内从朝着环的外围开口的一端延伸到10和13处的朝内的尖状顶点(再参看图2)。顶点10和13空间上相分离，沿径向从环的内边缘向外，留下一个没有开槽的环表面的径向部分5(隔墙区域)。在这种情况下，槽的螺旋方向和轴的旋转方向相反。

旋转环3的外径DH，楔形部分(隔开物)7的顶点位于其上的圆周的直径DK，作为槽6和密封面5之间的边界的圆周的直径DB和密封环3的内径DO按照下面公式相关联：

(i)如果槽6从密封环的外侧边生成， $\frac{\mathrm{DK}-\mathrm{DB}}{\mathrm{DH}-\mathrm{DB}}=0.2-0.8$

(ii)如果槽6从密封环的内侧边生成， $\frac{\mathrm{DB}-\mathrm{DK}}{\mathrm{DB}-\mathrm{DO}}=0.2-0.8$ 密封面5的宽度和带有螺旋槽6的环3的整个端面的宽度按照下面公式相关：

(i)如果槽6由环的外径的外侧边的端部生成， $\frac{\mathrm{DB}-\mathrm{DO}}{\mathrm{DH}-\mathrm{DO}}=0.3-0.5$

(ii)如果槽6从环3的内侧边上延伸， $\frac{\mathrm{DH}-\mathrm{DB}}{\mathrm{DH}-\mathrm{DO}}=0.3-0.5,$ 其中：DH是环3或带有槽6的元件1的外径；

DK是楔形部分(隔开物)7和槽6的顶点位于其上的圆周的直径；

DB是作为槽6和密封面5的边界的圆周的直径；

DO是环3或元件1的内径。

如果槽6是由密封面的外侧边生成，则连接从环3的外径的端部设置的槽6的顶点10，12和13，11的横向的弧可以由半径R生成，R等于环3的外径DH尺寸的一半。

如果槽从密封面的内侧边延伸，横向弧可以由半径R生成，R等于环3的内径的尺寸的一半。

在两种情况下，半径R的弧的圆周中心都设置在由下面公式所确定的直径上： $\frac{D}{\mathrm{DH}}=0.25-0.4,$ 其中：D是一个圆周的直径，这些槽的侧边弧的半径R的中心都设置在这个圆周上。

而且，或者可选地，端面15的外径，也就是位于没有(在这种情况下)螺旋槽6的环密封元件1的端面上，有与端面15成锐角的径向导槽16。环密封元件1和旋转环3放在轴17的腔室18中，它们有外表面19，20，21和22。

工作(密封)空隙S在环3和环形元件1的端面之间形成。

该发明提供如下操作的轴密封。一操作涡轮机，运进的工作介质，即气体移动到旋转环3和密封元件1上方的腔室18中。当使轴17旋转时，运进的气体通过导槽16和螺旋槽6，在这里，气体朝着中心移动，与密封面5相对，气体被压缩，它的压力提高。在操作中，气体被泵到更高的压力，沿径向向内沿着槽流动，在槽的顶点10和13处达到最大压力。更高的压力迫使弹簧2在两个密封1和3之间打开一个小的空隙S(图1)。气体通过空隙的泄漏处于一个低的设计速度(参看以前参考的文章)。当轴17不旋转时，弹簧2迫使可活动的密封元件1关闭空隙。在该设计中，密封不是双向的，密封分离压力不能在轴的两个转动方向产生。然而，同样的技术能应用在双向密封上。

因此，槽的形状可以修改以确定空隙S的尺寸，空隙S一般等于几个毫米。由于气体的力和作用于元件1与环3的密封端面和外表面19，20，21，22的静态力相均衡，以及螺旋2的力，气体的力和由螺旋槽6对工作介质的影响而产生的动态平衡的力相均衡，而来维持密封件端空隙S的尺寸。

在密封的设计中，空隙S中产生的压力与抵抗固定的密封元件1的后侧而存在的压力(表示为固定的密封元件右边的压力曲线)相平衡。O型环RA(通常称为次级密封)的径向位置决定了暴露在系统压力中的后侧的面积。次级密封所在的直径是密封的“平衡直径”。

当改变操作模式时，比如，在起动和关闭期间，工作空隙S中顶点10和13处槽的角内会产生所限定的压力，控制空隙中气膜的浓度。在高速转动(密封上和工作空隙S中恒定的差动压力)时，要压缩的气体沿连接顶点12和10的壁移动，在顶点10处的角内被压缩。

在起动和关闭以最大压力工作的压缩机过程中的瞬态模式的操作时，由于旋转环3低的圆周速度，气体最终沿壁13和11移动，在顶点13的角内被压缩。

因此，当改变操作模式时，与其他形状的槽相比，该密封装置有更宽的稳定操作范围，在轴低速转动时没有工作面的摩擦。

一旦密封元件1和旋转密封环3有轴向相互的偏斜，比如，在轴向振动下，密封空隙S的尺寸将会改变。增大密封空隙导致增加空隙中气体的轴向组分。在这里，气体将在角13中被压缩。

减小密封空隙S导致空隙中气体流动速率圆周方向分量的增加。气体将在顶点10处的角中被压缩。

因此，该发明提供一种形状的螺旋槽6，它能相当大地降低轴向振动和制止振动。在这里，密封空隙的工作面不接触。

当密封元件1相对于旋转环3发生角度偏斜时，轴密封有自动对齐的能力。一出现角度扭曲(增大的密封径向空隙S出现在一边，而减小的空隙S出现在另一边)。正如上面所描述的，该发明的密封提供密封空隙S中的力的平衡，因此减小了角度扭曲，也就是说，提供密封装置的角度稳定性。

正如从附图中所能看到的，在任何一个实施例中，各种圆和圆周是同心的，中心位于旋转环(3)的转轴上。

Claims (10)

1.一个轴密封，它包括朝着旋转密封环(3)的端面加偏压的密封元件(1)，密封环(3)或密封元件(1)的端面(4)有一个密封面(5)，密封面有大量从密封面(5)的边部延伸到密封环(3)中的边界上的螺旋槽(6)，每个槽(6)包括一个从边缘延伸的分离隔开物(7)，把槽(6)分成两个狭槽，其特征在于，隔开物(7)包括两个隔开壁，它们彼此相交，在它们之间形成一个锐角，使得大量地减小槽(6)中的流体流动的干扰。

2.按照权利要求1的轴密封，其中，隔开物(7)基本上是楔形的。

3.按照权利要求1或2的轴密封，其中，隔开物只有两个隔开壁，一个隔开壁从槽(6)的一个侧壁和边界的交叉点延伸出来，另一隔开壁从槽(6)的另一侧壁和边界的交叉点延伸出来。

4.按照权利要求4的轴密封，其中，隔开物把槽封闭在密封面(5)内，上述一个隔开壁和上述一个侧壁相交，在它们之间形成一个锐角，上述另一隔开壁和上述另一侧壁相交，在它们之间形成一个锐角。

5.按照前面任一权利要求的轴密封，其中，隔开壁和/或侧壁是弯曲的。

6.按照前面任一权利要求的轴密封，其中，分离隔开物包括在边界、第一个弧和第二个弧之间形成的楔形部分，第一个弧从上述一个隔开壁和上述一个侧壁的相交点延伸到靠近密封面(5)的侧边的另一侧壁的端部，第二个弧从上述另一隔开壁和上述另一侧壁的相交点处延伸到靠近密封面(5)的上述一个侧壁的端部。

7.按照前面任一权利要求的轴密封，其中，密封环(3)的外侧边是直径为DH的圆，密封环(3)的内侧边是直径为DO的圆，在每个槽中，隔开壁的交点落在直径为DK的圆周上，在每个槽中，隔开壁和侧壁的交点落在直径为DB的圆周上，它们按照下面的公式相关：

(i)如果槽(6)从密封面(5)的外侧边生成， $\frac{\mathrm{DK}-\mathrm{DB}}{\mathrm{DH}-\mathrm{DB}}=0.2-0.8$ (ii)如果槽(6)从旋转环(3)或环形元件(1)的内径的边部生成， $\frac{\mathrm{DB}-\mathrm{DK}}{\mathrm{DB}-\mathrm{DO}}=0.2-0.8$

8.按照权利7的轴密封，其中，密封面(5)的宽度和环(3)或元件(1)的整个端面(4)的宽度由下面的公式确定：

(iii)如果槽(6)从密封面(5)的外侧边的端部生成， $\frac{\mathrm{DB}-\mathrm{DO}}{\mathrm{DH}-\mathrm{DO}}=0.3-0.5$ (iv)如果槽(6)从密封面(5)的内侧边生成， $\frac{\mathrm{DH}-\mathrm{DB}}{\mathrm{DH}-\mathrm{DO}}=0.3-0.5,$

9.按照前面任一权利要求的轴密封，其中，槽(6)的每个侧壁沿半径为R的弧延伸，在这里，(a)当槽(6)从密封面(5)的外侧边延伸时，那么R等于密封面(5)的外径(DH)的一半；(b)当槽从密封面(5)的内侧边延伸，那么R等于密封面(5)的内径的一半，而且弧的中心落在直径为D的圆上，直径D按照下面的公式与密封面的外径DH相关： $\frac{D}{\mathrm{DH}}=0.25-0.4,$

10.按照前面任一权利要求的轴密封，其中，密封元件(1)的密封面或没有螺旋槽(6)的密封面(3)有径向导槽(16)，每个径向导槽(16)的低壁从密封面的内侧边或外侧边延伸出来，与密封面所平面成一锐角。

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